18 May
Reloj Biológico
La rotación diaria de la tierra sobre su eje hace que la evolución de los seres vivos tenga lugar en un ambiente con cambios periódicos drásticos cada 24h. Por ello, todos los organismos manifiestan ritmos bioquímicos, fisiológicos y de comportamiento. Muchos de estos ritmos persisten en ausencia del cambio ambiental periódico. Esta persistencia del ritmo es la manifestación externa de la existencia de un reloj biológico que mide el tiempo y que sincroniza la fisiología con el ciclo ambiental. El más conocido es el reloj circadiano encargado de controlar los ritmos que se repiten con una periodicidad de 24h aprox.
Ventaja Adaptativa
La ventaja adaptativa más obvia es la habilidad para adelantarse a los cambios ambientales diarios.
El reloj circadiano regula multitud de procesos en las plantas, tanto en el ámbito intracelular como de organismo: expresión de genes, niveles citosólicos de calcio, actividades enzimáticas, movimientos y crecimientos. El reloj también regula procesos fundamentales del desarrollo, como el control fotoperiódico de la época de floración y la dormición de las yemas vegetativas, dos actividades que suceden en una escalada de tiempo no circadiana.
Componentes del Sistema Circadiano
El sistema incluye una ruta de entrada desde la luz y/o temperatura al oscilador. El oscilador genera señales que son transducidas a través de rutas de salida para producir los distintos ritmos circadianos.
Propiedades Fundamentales de los Ritmos Circadianos:
- Persistencia de las oscilaciones en condiciones constantes.
- Sincronización con los ciclos ambientales de luz y temperatura (sincronización del reloj endógeno con la hora solar local).
- Compensación para la temperatura.
Las técnicas de biología molecular han contribuido significativamente al esclarecimiento del funcionamiento de los relojes biológicos.
Organización Molecular del Reloj Circadiano
Los relojes circadianos constan de un oscilador central constituido por elementos positivos y negativos que forman bucles de retroalimentación. En estos bucles, los elementos positivos activan la expresión de los genes del reloj. Estos genes, además de activar diversas respuestas rítmicas, codifican elementos negativos que inhiben la actividad de los elementos positivos y reprimen su propia expresión. La fosforilación de los elementos negativos conduce a su eventual degradación, permitiendo que los elementos positivos reinicien el ritmo. El oscilador central está formado por múltiples bucles de retroalimentación interconectados. Además, los genes de reloj tienen múltiples funciones, actuando tanto dentro del oscilador como en rutas de señalización input y output.
Componentes del Sistema Circadiano en Arabidopsis
Participan los fitocromos, los criptocromos y las proteínas de la familia Zeitlupe (ZTL).
Genes Principales:
- LHY y CCA1, codifican factores de transcripción tipo Myb, que ciclan con un pico al amanecer.
- TOC1 o PRR1, codifica un regulador transcripcional relacionado con los reguladores de respuesta bacterianos, que cicla con un pico al atardecer.
La sobre-expresión CCA1, LHY o TOC1 provoca arritmia, mientras que las pérdidas de función de cada uno de estos genes acortan el periodo del ritmo. Los tres genes forman parte de un bucle de retroalimentación central con componentes positivos (TOC1) y negativos (CCA1 y LHY).
Genes de los Bucles Adicionales:
- PRR3, RR5, PRR7 y PRR9
- ELF4, que codifica una proteína nuclear con funciones redundantes con TOC1 y GI.
Proteínas Reguladoras de la Estabilidad de los Componentes del Reloj:
- Subunidades reguladoras CKB3 y CKB4 de la CK2.
El funcionamiento del reloj también requiere la actuación de la ruta ubiquitina-proteasoma, en la que participan las proteínas de la familia ZTL.
Modelo del Oscilador Central con el Bucle de Retroalimentación:
- Al amanecer, la luz activa la expresión de LHY y CCA1.
- Las proteínas LHY y CCA1 activan la transcripción de genes de mañana como LHCB.
- Las proteínas LHY y CCA1 reprimen la transcripción de TOC1 y otros genes de tarde.
- La progresiva reducción en los niveles de expresión de LHY y CAA1 durante el día hace que los transcritos de TOC1 incrementen hasta alcanzar un máximo hacia el final del día.
- TOC1 incrementa la expresión de LHY y CCA1, que alcanza un máximo al amanecer, iniciando un nuevo ciclo.
Lo importante es que la regulación de la expresión de los genes implicados en la fase luminosa de la fotosíntesis, metabolismo de lípidos, pigmentos fotoprotectores, metabolismo del carbono y nitrógeno, etc… confiere a las plantas la habilidad de anticiparse y adaptarse a cambios periódicos en el ambiente.
El reloj consta como mínimo, de tres bucles interconectados: el central, el de mañana y el de tarde. En el oscilador central, las proteínas CCA1 y LHY inhiben la expresión del gen TOC1, mientras que la proteína TOC1 de forma indirecta, activa la expresión de los genes CCA1 y LHY.
En el bucle de mañana, participan los genes CCA1, LHY y los que codifican a los pseudo-reguladores de respuesta PRR7 y PRR9. En el bucle de tarde en el que participan los genes TOC1 y el hipotético componente Y forman el otro bucle. Los bucles CCA1/LHY-PRR7/9 y TOC1-Y están conectados por el primer bucle (CCA1/LHY y TOC1). Las proteínas TOC1 son degradadas en el proteasoma, vía el fotorreceptor ZTL, antes del amanecer. TOC1 regula la expresión de CCA1/LHY a través de un componente hipotético X. En la expresión de CCA1 y LHY por TOC1 participa la proteína CHE. TOC1 interactúa físicamente con CHE, que es un represor transcripcional de CCA1. De forma recíproca, CCA1 reprime la expresión de CHE, por lo que CHE y CCA1 forman un bucle adicional.
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